滿高華 寧存岱

【摘 要】文章設計了一種基于LabVIEW開發(fā)平臺的諧波檢測系統，運用LabVIEW平臺和FFT算法開發(fā)諧波檢測系統軟件，利用互感器、信號調理電路采集和處理電網諧波信號，通過數據采集卡將信號傳輸到個人計算機上的軟件進行分析檢測，實驗結果證明了該系統的可行性。

【關鍵詞】虛擬儀器；諧波；快速傅里葉變換

【中圖分類號】TP274 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）02-0045-04

0 引言

工業(yè)生產及日常生活中大量非線性負載的使用，易造成諧波污染，這可能導致經濟損失，甚至會產生更嚴重的后果。要對諧波污染進行有效地治理，就必須對電力系統的各次諧波含量進行準確地測量，因此對電力諧波的檢測分析具有重要意義[1-2]。

利用虛擬儀器強大的軟件功能，實現諧波的采集、處理及分析等工作，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展和升級，使分析及控制更加靈活，只需要投入很少的硬件即可開發(fā)出功能豐富的系統[3]。本系統采用以互感器、濾波器和數據采集卡組成的數據采集模塊對電力信號進行采樣，并以LabVIEW為開發(fā)平臺，利用快速傅里葉理論計算分析各次諧波分量。實驗結果表明，該系統運行穩(wěn)定可靠，檢測結果精度高。

1 系統整體設計

諧波檢測系統整體結構如圖1所示，硬件部分主要由互感器、濾波電路、數據采集卡和個人計算機組成。軟件部分是核心，軟件部分使用LabVIEW開發(fā)平臺來編寫FFT算法（加窗、插值）程序，軟件系統具有諧波測量、顯示、存儲及回放等功能，還可以實現參數設置、數據遠傳及顯示打印等功能。

監(jiān)測點電壓、電流信號經過電壓、電流互感器轉換后送入信號調理電路進行濾波、放大和線性化補償，將該傳感信號轉換為適于高速數據采集卡的離散數字信號。PC機上的諧波檢測VI程序讀取并存儲數據采集卡采集的諧波信號，選用合適的窗函數對采樣信號進行加窗處理，再利用雙譜線插值算法將傅里葉變換后的計算結果進行修正，并將分析結果顯示、存儲和傳輸。

2 硬件選型

本系統硬件主要由互感器、濾波器和數據采集卡組成，選擇合適型號的硬件是進行諧波檢測的前提。

電壓互感器采用北京新創(chuàng)四方電子有限公司的TVA1421-01小型精密電流電壓通用互感器。該互感器具有以下特點。

（1）既可作電壓互感器，又可作電流互感器使用。

（2）立式穿芯，印刷線路板直接焊接安裝。

（3）精度高，采樣范圍寬，應用靈活。

（4）全封閉，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，外形美觀。

（5）相移≤5%，非線性度≤0.1%，線性范圍2倍額定，輸入電壓≤1 kV，耐壓≥6 kV，額定輸入電流9 A，輸出電流6 mA。

為了消除頻譜混疊現象，需將經互感器轉換而來的交流小電壓信號送入有源低通濾波器，除去高頻分量的噪聲信號。有源低通濾波器采用可調四階巴特沃斯低通濾波器，頻率截止范圍為0.1 Hz～30 kHz，設計采用的截止頻率為3 kHz，因此本系統可實現60次以內的諧波檢測。

數據采集卡選用凌華科技的PCI-9113A數據采集卡，該卡主要技術參數如下：12位A/D分辨率，32通道單端或者16通道差分輸入，板載1k采樣點A/D FIFO，采樣速率高達100 kS/s，單極性或雙極性模擬輸入，提供了LabVIEW驅動程序。

3 軟件設計

3.1 虛擬儀器與LabVIEW平臺

虛擬儀器（Virtual instrument，簡稱VI）是計算機技術與電子儀器相結合而產生的一種新的儀器設備。其實質是以通用計算機為硬件平臺，由用戶設計定義其測試功能，由軟件實現其測試功能的一種計算機儀器系統。它從根本上更新了儀器的概念，具有傳統儀器無法比擬的優(yōu)勢。它的出現代表著儀器發(fā)展的最新的潮流和方向[4]。

LabVIEW是一種采用易于編程的圖形化語言G語言的功能強大的軟件平臺。它采用的是數據流編程模式，按模塊之間的數據流來決定程序執(zhí)行的順序，簡化了科學計算、過程監(jiān)控和測試軟件的開發(fā)，具有強大的信號分析和數學運算功能，提供了豐富的函數和子程序，被公認為標準的數據采集和儀器控制軟件。

3.2 程序設計及各模塊簡介[5-6]

本諧波檢測程序用LabVIEW軟件特有的G語言進行開發(fā)設計，其主要的程序模塊有數據采集模塊、波形存儲及回放模塊、諧波分析模塊、數據傳輸模塊、報表顯示模塊等。

3.2.1 數據采集模塊

為了精確地測量市電信號的波形，通常使用其最高頻率成分5～10倍的采樣頻率進行信號采集。過低的采樣率會導致波形精確度不夠，而使用過高的采樣率雖然保證了波形精確度，但是也會增加系統處理信號所用的時間，造成系統實時性較差。

本系統采用了公式節(jié)點產生所需要的波形，設置基波頻率為50 Hz，產生的波形疊加上均勻白噪聲后用于仿真實際的電壓信號，疊加的信號經過巴特沃斯低通濾波器進行濾波，以消除頻譜混疊后得到所需要的仿真采樣信號。

3.2.2 波形存儲及回放模塊

數據的記錄與回放是測試系統必須具備的基本功能，本系統采用數據記錄文件進行存儲，這種存儲方式可以用來存儲復雜結構的數據，具有簡單快捷、容易實現和隨機訪問數據的特點。由于本系統準備存儲的數據類型有系統采樣時間、采樣間隔和采樣信號，它們屬于不同的數據類型，因此使用數據記錄文件可以滿足要求。

3.2.3 諧波分析模塊

可對輸入信號進行諧波分析，包括測定基波和諧波，返回基波頻率、所有的諧波幅值電平及總的諧波失真度（THD）；可計算出基波信號對諧波信號的均方值比例SINAD值及系統的標準頻率，將標準頻率乘以采樣頻率即可得到系統的基波頻率；可對信號進行快速傅里葉變化，其輸出是雙邊的，它同時顯示了正負頻率的信息。

根據《電能質量電力系統頻率允許偏差》（GB/T 15945—2008）的規(guī)定：系統的標準頻率為50 Hz，正常的允許偏差為±0.2 Hz，當系統容量較小時，允許偏差為±0.5 Hz。國內各大電力系統的實際偏差均小于±0.2 Hz的允許值。本系統設置了基波頻率越限報警指示燈，如果基波頻率超過（50±0.5）Hz，則顯示紅色燈報警。

3.2.4 數據傳輸模塊

本系統的遠程數據傳輸模塊采用LabVIEW開發(fā)軟件中提供的TCP/IP的開發(fā)工具包進行開發(fā)，服務器端主要發(fā)送系統采樣時間、采樣間隔和信號頻譜，然后由橫坐標初值、采樣間隔和信號頻譜捆綁攢成一個簇的頻譜圖，因橫坐標初值x0都設定為0，可不進行數據發(fā)送，只發(fā)送采樣間隔dx和信號頻譜值即可。由于在TCP網絡上是以字符串的形式來傳輸數據的，所以需要采用“強制類型轉換”節(jié)點將原始數據轉換為字符串的形式進行傳輸。在服務器端程序框圖中分別采用了3組“寫入TCP數據”節(jié)點來發(fā)送數據。與服務器端程序框圖相對應，客戶端程序框圖也分別采用了3組“讀取TCP數據”節(jié)點來讀出由服務器端送來的數據。這種方法是TCP/IP通信中常用的方法，可以有效地發(fā)送、接收數據，并保證數據不丟失。

3.2.5 報表顯示模塊

實現將數據處理模塊獲得的實驗結果以報表的形式顯示在前面板上，以便操作人員查閱和進行分析。

諧波檢測流程圖和諧波檢測系統程序框圖分別如圖2、圖3所示。

4 實驗結果

為了驗證本諧波檢測程序FFT算法計算諧波的準確度和精確度，先進行仿真信號檢測實驗，再進行實際信號檢測實驗，根據實驗結果判斷系統的有效性。

4.1 實驗一：仿真信號測量

不經過數據采集卡直接使用公式節(jié)點產生仿真信號，該波形信號的表達式如下：

y=10*cos（2*pi*Fp*x/F+0.9）+0.2*cos（2*pi*2*Fp*x/F+0.8）

+3.2*cos（2*pi*3*Fp*x/F+0.7）+0.1*cos

（2*pi*4*Fp*x/F+0.6）

+2.3*cos（2*pi*5*Fp*x/F+0.5）+0.12*cos

（2*pi*6*Fp*x/F+0.4）

+1.1*cos（2*pi*7*Fp*x/F+0.3）+0.09*cos

（2*pi*8*Fp*x/F+0.2）

在系統中設置基波頻率為50 Hz，每周期采樣256個點，采樣頻率設置為12 800 Hz，采4個周期共1 024個數據點，可檢測至少50次諧波。噪音幅值設置為0.25，巴特沃斯低通濾波器的截止頻率設置為2 500 Hz，階次為8次。實驗結果（如圖4所示）顯示出理論計算結果與本系統測試結果相一致。

4.2 實驗二：實際信號測量

對某段時間內的市電信號，利用互感器與數據采集卡進行數據的采集，然后進行諧波分析，獲得的檢測結果如圖5所示。由圖5可以看出，該電壓信號的基波幅值最高，3次、5次和7次等奇次諧波的幅值依次降低，偶次諧波及9次之后的奇次諧波的含量都非常低，幾乎為零。各奇次諧波含有率最高為3.1%（小于4%），偶次諧波含有率最高為0.3%（小于2%），因此該市電諧波含量符合國家標準要求。

5 結語

（1）基于虛擬儀器技術建立一種諧波檢測系統，界面友好、多模塊化、易于擴展，軟件開發(fā)周期短。

（2）以LabVIEW圖形化語言為基礎構建軟件分析平臺，根據自己的喜好設計諧波分析儀界面，具有強大的數據分析、處理能力。

（3）可利用網絡進行數據遠程傳輸，保證了數據傳輸的實時性。

（4）本系統只能檢測諧波含量的指標，其他電能質量指標的檢測功能有待完善。

參 考 文 獻

[1]喬和，馮澤中.基于DSP和ARMg的電能質量在線監(jiān)測儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2011（2）：29-31.

[2]李國堯，馬吉恩，方枚同.基于DSP和aLbVIEW的電參數檢測系統[J].電測與儀表，2011（9）：14.

[3]佩青.數字信號處理教程[M].第3版.北京：清華大學出版社，2007：32-34.

[4]魏雯，趙展.一種諧波測試儀的設計[J].內江科技，2014（11）：58-59.

[5]艾延廷，黃福幸，李杰.基于LabVIEW的虛擬信號分析儀軟件設計[J].微計算機信息，2005（5）.

[6]胡仁喜，王恒海，齊海東.LabVIEW8.2.1虛擬儀器實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[責任編輯：鐘聲賢]